苏格拉伟

碳的“前世”

中国是人类历史上最早利用碳的民族，有文献记载和考古发掘证明，起码在汉代就已经开始使用煤了。《汉书地理志》中有记载：“豫章郡出石，可燃为薪。”这就是说在豫章郡开采出了一种石头，能像柴火一样燃烧，这其实就是煤。18世纪欧洲的工业革命，开启了煤作为工业燃料的时代。煤直到今天也是我们最为重要的能量来源，火力发电到今天为止依然占全国发电总发电量的80%以上，看看最近华北上空日日不灭的雾霾神话，大部分都是煤的“功劳”。

我们另一种最常见的碳是金刚石，也就是我们常说的钻石。几千年前，印度是世界上最早发现钻石的地方，也几乎是唯一的钻石产地。但从1725年开始，巴西开采出了大量的钻石，这使得巴西取代印度成为了当时全球最重要的钻石产地。

直到1867年，真正的钻石王国登上了历史舞台，它就是南非。1905年，在南非阿扎氏亚发现了世界上最大的金伯利岩岩筒-普列米尔岩筒，并在此发现最大的钻石：库利南钻石。这颗钻石的大小超出了一般钻石的概念，大小和一个成年男子的拳头相当。最后库里南钻石被分割成了9大块和96小块，其中享有“世纪之最”美誉的是“库里南一号”，又称“非洲之星”，重达530.2克拉。英王室为显示其权势，将这颗巨钻镶嵌在1661年制作的象征英王权势的权杖上。南非的钻石产量到现在依然处于世界前列，并由此开创了钻石业的新纪元。

碳纤维是现代自行车最主流的生产材料，没有之一。要说起碳纤维中的这个“碳”，大家肯定会想到煤炭，其实“碳”还有非常多的存在方式。从石墨到金刚石、从活性炭到碳纳米管、从富勒烯到石墨烯，碳的大家庭可谓五彩缤纷，各行各业都有碳的应用。碳也是人类最早利用的元素，人类对碳的利用伴随着人类文明史的发展，本篇我们回顾一下“碳”的前世今生。

真正认识“碳”

虽然人类使用碳的时间非常早，但是真正认识碳，并使用碳的时间并不长。1722年，法国科学家瑞尼·瑞欧莫发现，碳在使铁变为钢的过程中起到了至关重要的作用。1772年，被称为近代化学之父的法国化学家安东万拉瓦锡，证明了钻石和木炭本质上没有区别，他做了一个非常“败家的”实验，燃烧同质量木炭和钻石（科研经费看来相当的富余）会产生质量相同的二氧化碳。1779年，瑞典无机化学家卡尔·威廉·舍勒又证明了石墨也是碳的一种存在形式，但其中含有少量的铁，而不是之前人们所认为的石墨是铅组成的。1786年，法国科学家克劳德·贝托莱、加斯帕蒙日和沙尔奥古斯丁·范德蒙又用实验证明了安东万·拉瓦锡的观点。

1985年，科学家发现了一种新的碳单质富勒烯，这是继金刚石、石墨和线性碳（carbyne）之后碳元素的第四种晶体形态。这是一种硬度比钻石还强，延展性比钢强100倍，导电性比铜强，但重量只有铜的1/6。这是一种属于未来的超级材料，发现者罗伯特·柯尔、哈罗德·克罗托和理查德·斯莫利因此获得了1996年的诺贝尔化学奖。

碳纤维闪亮登场

下面就要介绍碳纤维的历史了，人们总想给重要的历史人物配上高大上的故事，碳纤维的出场也不例外，那就是人尽皆知的爱迪生发明电灯泡。翻开历史，我们惊奇地发现，同时代寻找灯泡灯丝材料的人不止爱迪生一个人。早在1860年英国人约瑟夫·斯旺就已经开始用碳丝作为灯丝材料，但可怜的斯旺没能解决灯泡的真空问题，这样碳丝发光发热的时候还会在氧气环境下氧化，灯泡使用时间太短。一年后爱迪生解决了碳丝问题的同时也解决了真空问题，并申请专利，该灯泡亮了45小时（放到现在肯定是残次品退货给差评了不过那时却具有划时代的意义），却是人类进入电灯时代的标志。英国人斯旺这下彻底失望了，真是应了那句话：成者为王败者为寇。

直到今天，如果我们不回顾碳纤维的历史，斯旺寻找灯丝的故事可能再也不会提起，不过我们也要为那些没有成功却做出卓越贡献的前辈鼓掌。这个故事似乎有了完美的结局，主人公碳丝第一次登上历史舞台，并且过上了幸福的生活（嘿嘿，有点童话结尾意思）。可是半路杀出个程咬金，1910年库里奇发明了钨丝拉制法，让钨丝成为灯丝第一人选。碳丝不得不暗淡离场，被抛弃在角落，此后四五十年的时间在冷宫独守寂寞，凄凄惨惨戚戚。

碳纤维再次登场

19世纪50年代，碳丝又一次登场了，真心佩服碳丝的耐力，估计甄媛也甘拜下风。这次拯救碳丝的是美国空军基地。当时美国人和俄罗斯人开展太空竞赛，需要寻找航天飞机耐烧蚀材料，高温高强度，由于碳的熔点在3600℃，于是乖乖地把碳丝请回实验室。经过一系列的研究，碳丝又隆重回到历史舞台，这次改了一个狂拽酷炫吊炸天的名字：碳纤维。与此同时美国联合碳化物公司UCC也进入了历史舞台。

1959年，世界上最早上市的黏胶基碳纤维Thornel-25就是UCC的产品。Thornel-25的拉伸强度只有1290MPa，模量175GPa。同年日本人近藤昭男发明了用聚丙烯腈基的碳纤维，也就是我们所说的PAN基碳纤维。近藤昭男重要贡献有两方面，一是证明了聚丙烯腈可制造碳纤维，二是得出聚丙烯腈原丝要经过预氧化才能碳化成碳纤维，奠定了PAN碳纤维的基础路线。但是近藤昭男并没有造出高性能的碳纤维，原因是他的工艺路线造出的碳纤维晶体取向无序，这个会在以后我们重点介绍。所以1962年日本公司制造的PAN碳纤维并未获得成功，而第二年英国人瓦特改进了生产工艺，在生产过程中对原丝预氧丝碳丝施加张力，使晶体取向接近于平行碳纤维轴向，获取了高性能的碳纤维，至此PAN碳纤维进入高速发展时期。

碳纤维在中国

我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，至今已有30多年的历史。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，产品性能基本达到日本东丽公司的T200，国内也叫作高强l型碳纤维。我国从“六五”开始研制高强||型碳纤维（相当于TS00），但历经20年，产品性能指标仍未达到T800标准，至今仍处于中试放大阶段。专家认为，制约我国碳纤维发展的瓶颈是PAN原丝质量没有真正过关。

而国际市场上碳纤维的全方位商业化始于20世纪70年代，70年代是高尔夫球棒和钓鱼竿应用的引入和发展时期，主要是在日本。在80年代早期，碳纤维开始被广泛地用在客机和航空飞行器上作为结构材料，主要是用在欧洲和北美。然后，人们提高了对碳纤维的认识，开始把它当成一种高质量的材料，并在20世纪80年代中期得到了飞速的增长。在80年代中期，空客公司开始将CFRP作为首要的结构材料应用在它们的飞机上，而且，随着碳纤维在网球和新的体育项目的应用，碳纤维市场得到了稳步的扩展。

尽管在1991年的海湾战争之后航空业的发展走向衰退，全球经济开始停止不前，碳纤维的需求增长也趋向缓慢，自90年代中期以后，碳纤维的工业应该开始成为新的需求增长点。尤其是欧洲和北美开始将碳纤维应用于压力容器上，这种增长非常显著，由于1995年的部分地区地震，加快了抗震加固应用的需求。在未来，预计碳纤维的主要应用领域将侧重于工业应用，而且这一需求将会稳步增加。另外，新一带的航天计划和与旗下相关的应用都将促进碳纤维的工业化应用。

我国对碳纤维的研究起步并不晚，虽取得了一些进展，但多年来发展较为缓慢。据上海擎督信息科技公司金秋能源化工工作室创办人钱伯章高工介绍，20世纪六七十年代我国上海合成纤维研究所、中科院山西煤化所、北京化工大学、山东工业大学等开始研究工作，并于80年代中期通过了中试，进入产业化试生产阶段，先后建成了从年产几百千克到几吨的小试装置和年产几十吨的中试装置。但总体而言，不论是技术水平、生产能力和产品质量等，都与国外先进水平有较大的差距。

碳纤维的21世纪

进入21世纪以来，国内碳纤维产业发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了年产500吨原丝、200吨PAN基碳纤维生产装置，成功填补我国碳纤维及原丝工业产业化生产空白。

从2000年开始，我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。

据钱伯章介绍，近年来，国家有关部委已将碳纤维技术的产业化进程作为我国的一项战略任务。随后，一些企业相继加入碳纤维生产行列。目前，我国已有吉林神舟碳纤维公司、山东天泰新材料股份有限公司、浙江嘉兴中宝碳纤维有限公司、保定天鹅化纤集团、大连兴科碳纤维有限公司、山西恒天纺织新纤维科技有限公司等生产规模大小不一的碳纤维生产厂家，合计年生产能力为2310吨。据不完全统计目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝年产量7100吨、碳纤维1560吨，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝年产量1100吨、碳纤维470吨。

反观全球，由于碳纤维生产工艺复杂，至今世界上规模企业不超过12家。他们分别是日本的东丽、东邦和三菱丽阳，美国的氰特工业公司（cytec）、赫克塞尔（Hexcel）公司、卓尔泰克（Zoltek）公司、阿莫科（Amoco）公司，德国的SGL，韩国泰光产业公司以及中国台湾的台塑公司等。其中领先的生产商有日本的三菱丽阳、东邦和东丽以及美国Cytec、Hexcel公司等。